Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Дэвид Хелфанд
Углеродная «калибровка»
Как и все другие живые существа, деревья поглощают Углерод, содержащийся в воздухе, и создают из него свою древесину, в которой около 50 % массы приходится на Углерод. В умеренных зонах деревья имеют заметные годичные кольца, каждый год добавляя слой древесины к обхвату. Поэтому они представляют собой идеальный календарь: самый внешний слой относится к текущему вегетационному периоду, следующий – к прошлому году, третий – к двухлетней давности и так далее. Изучение этих годичных колец называется дендрохронологией. Поскольку деревья – это то, что они едят (подробнее об этом см. гл. 10), соотношение изотопов Углерода в древесине того или иного кольца дает точную меру их соотношения в воздухе в соответствующем году.
Хотя многие деревья живут менее ста лет, есть и такие, у которых этот срок гораздо дольше. Гигантская секвойя с Западного побережья США может жить более 2000 лет, а среди остистых сосен высоких Скалистых гор встречаются живые экземпляры возрастом более 5000 лет. С помощью небольшого полого сверла, приростного бурава, можно взять образец с каждого из пяти тысяч годовых колец этих деревьев и непосредственно измерить в каждом из них соотношение 14C/12C. Мертвые деревья, сохранившиеся в древних постройках или погребенные в илистом дне рек или болот, оказываются очень полезными для специалистов в дендрохронологии: сопоставление их кольцевых узоров в точках совпадения с живыми деревьями позволило создать непрерывную летопись, уходящую в прошлое на 13 910 лет5 от настоящего времени6. Каждый год в ней представлен образцом древесины, который показывает соотношение изотопов Углерода. Аналогичная «калибровка» с использованием коралловых рифов и слоистых океанских и озерных отложений дает возможность продлить эту летопись, которую мы заполняем благодаря Углероду, еще дальше в прошлое, и датировать объекты возрастом до 55 000 лет. В дальнейшем в образце, как правило, становится слишком мало атомов 14C, чтобы можно было надежно подсчитать соотношение.
За последние два тысячелетия поправки к возрасту, установленному путем радиоуглеродного датирования с использованием изотопа 14С, менялись от положительных к отрицательным: поправка на древность в наши дни (это означает, что частицы 14С формировались недостаточно быстро, поэтому его меньше в годичном кольце, а значит, его было меньше и в воздухе, и мы делаем вывод о более древнем возрасте); поправка на юность на отметке в 116 лет до настоящего времени (подразумевается, что частиц возникало слишком много и что их больше, чем нам следовало бы ожидать, поэтому мы предполагаем, что распад происходил реже и, следовательно, что изотопы моложе); поправка на древность на отметке в 142 года до настоящего времени; поправка на юность на отметке в 180 лет до настоящего времени и так далее, вплоть до отметки в 2421 год до настоящего времени (471 г. до н. э.), после чего для возраста 14C делается поправка на юность до самого конца летописи, завершающейся на отметке в 55 000 лет до настоящего времени. Расхождение составляет 200 лет на отметке в 2657 лет до настоящего времени, 400 лет на отметке в 4136 лет до настоящего времени и 600 лет на отметке в 5015 лет до настоящего времени, хотя неопределенность поправки составляет всего ±15 лет – иными словами, мы можем определить возраст объекта, которому около 5000 лет, с точностью до 0,3 %. В конце кольцевой летописи, на отметке в 13 910 лет до настоящего времени, поправка на юность при радиоуглеродном датировании с использованием изотопа 14C составит 1848 ± 28 лет. Избыток 14C (предполагающий более юный возраст) продолжает расти примерно до периода, отстоящего от нашего времени на 25 000 лет; в это время поправка составит около 4300 лет. Пиковое превышение происходит около 39 000 лет назад (5000 лет поправки), а затем падает до половины этого несоответствия на отметке в 50 000 лет до настоящего времени. Неопределенность в этом возрасте составляет примерно ±350 лет, что все же значительно лучше точности в 1 %.
Эти точные данные с высоким разрешением позволили обнаружить почти неуловимые эффекты в атмосферной концентрации 14C. Например, существует небольшая, но твердо установленная разница между Северным и Южным полушариями. Небольшие изменения наблюдались и в местах, где подъем глубинных вод океана выносит воду (и растворенный CO2) на поверхность. В этой воде, которая на протяжении долгих тысячелетий не имела возможности газообмена с атмосферой, наблюдается низкое соотношение 14С из-за доли, претерпевшей распад, и при попадании в воздух она снижает содержание изотопа 14С в окружающей среде.
Существуют даже аномалии 14C, выявленные в течение одного года, такие как событие Мияке 774–775 годов, во время которого произошел внезапный всплеск концентрации 14C на 1,2 % (более чем в двадцать раз превышающий типичные колебания от года к году)7. Начало этого события не установлено, но можно с уверенностью сказать, что оно заняло меньше года; после этого внезапного повышения концентрация 14C постепенно вернулась к нормальному уровню примерно за двадцать пять лет. В качестве еще одного доказательства того, что некое событие, произошедшее в 774 году нашей эры, привело к попаданию в атмосферу многих частиц высокой энергии, можно вспомнить, что в керне антарктического льда наблюдается совпадающий выброс радиоактивного изотопа Бериллия‐10, также возникающего в ходе взаимодействия космических лучей с атмосферой. Любопытно, что в «Англосаксонской хронике» за этот год говорится:
В том году нортумбрийцы изгнали своего короля Элреда из Йорка на Пасхальной неделе и выбрали вождем Этельреда, сына Мулла, который правил четыре зимы. Также в тот год в небесах являлось алое распятие после заката8.
Наиболее вероятное объяснение этого всплеска в образовании 14С – грандиозная солнечная вспышка, возможно, в сто раз более мощная, чем самая крупная из тех, какие наблюдались в наше время (событие Кэррингтона 1859 года – см. гл. 11, где мы поговорим о разрушительных последствиях, которые такое событие могло бы иметь в наши дни). «Алое распятие» можно объяснить драматичным появлением северного сияния (в сочетании с разумной дозой средневекового воображения).
Установление точного возраста по древесным кольцам помогает решить трудную проблему – определить соотношение 14C/12C на момент гибели растения или животного и внести в датировку при помощи изотопа 14C поправку, после которой точность датирования составляет примерно десять-двадцать лет. Поэтому полученные значения возраста имеют погрешность в несколько десятых процента или меньше за всю историю человеческой цивилизации.
Измерение крошечных образцов
Теперь подошло время вернуться к датировке нашего древнего Корана. Последний вопрос заключается в том, как подсчитать количество присутствующих в образце атомов 14C.
